CN103854955A - 用于四极质谱仪以便产生超分辨率质谱的指数式扫描模式 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种用于质谱仪设备的新型扫描方法，以便通过简单的时间偏移、而不是时间膨胀将来自各离子的分量信号(“峰”)关联至由一个希望的均匀离子群体产生的一个甚至是任意的参考信号。如在此介绍的这样一种方法和系统是按一种新型方式通过相对于时间而指数式扫描一个四极质量过滤器上的RF和DC电压、而同时维持该RF和DC处于相对彼此恒定的比例来实现的。在这样一种新型工作模式中，随时间而变的离子强度是一种固定峰形响应与具有离散质荷比的潜在(未知的)分布(质谱)的卷积。因此，可以通过去卷积来重新构建质量分布，从而产生具有增强的灵敏度和质量分辨力的质谱。

Description

用于四极质谱仪以便产生超分辨率质谱的指数式扫描模式

发明背景

发明领域

本发明涉及质谱法领域。更具体地说，本发明涉及一种为四极质谱仪提供一种改进的运行模式的质谱仪系统和方法，该系统和方法包括相对于时间来指数式扫描RF和DC施加的场，而同时维持RF与DC处于相对彼此恒定的比例。在此新型运行模式中，随时间而变的离子强度是一种固定峰形响应与具有离散质荷比的潜在(未知的)分布(质谱)的卷积。因此，可以通过去卷积来重新构建质量分布，从而产生具有增强的灵敏度和质量分辨能力的质谱。

相关技术讨论

四极杆在常规上被描述为低分辨率的仪器。常规四极质谱仪的理论和操作在大量文字书籍中(例如道森(Dawson)P.H.(1976)，四极质谱仪及其应用(Quadrupole Mass Spectrometry and ItsApplications)，爱思唯尔(Elsevier)，阿姆斯特丹)并且在大量专利(如授予保罗(Paul)等人的、在1954年12月21日提交、并在1960年6月7日颁发的美国专利号2,939,952，标题为“分离不同比荷的带电颗粒的设备(Apparatus For Separating Charged Particles Of DifferentSpecific Charges)”)中都进行了描述。

作为一个质量过滤器，这类仪器通过经由施加的、能够作为时间的一个函数而线性渐变的RF和DC电势来设定稳定性极限而运行，以使得具有特定范围的质荷比的离子在整个装置中具有稳定的轨迹。具体来说，通过对所配置的圆柱形的、但更经常双曲线形的电极杆对按本领域的技术人员已知的一种方式来施加固定的和/或渐变的AC和DC电压，设定了所希望的电场以便稳定预定离子在x和y方向的运动。其结果是，在x轴上施加的电场稳定了较重离子的轨迹，而较轻的离子具有不稳定的轨迹。相比之下，在y轴上的电场稳定了较轻离子的轨迹，而较重的离子具有不稳定的轨迹。在两个轴上的电场组合起来决定了特定四极质量过滤器提取所希望的质量数据的带通质量过滤行为。在检测到这种数据时，经常利用一种或多种去卷积软件算法来过滤所得的四极质谱数据，以便改进质量分辨率。

典型地，四极质谱系统采用单一检测器来记录作为时间的函数而到达四极杆群组的离开截面处的离子。通过单调地在时间上改变质量稳定性极限，离子的质荷比可以(大致)由其到达检测器的时间确定。在一个常规的四极质谱仪中，由到达时间来估算质荷比的不确定度对应于质量稳定性极限之间的宽度。这种不确定度可以通过收窄这些质量稳定性极限而减小，即通过将四极杆作为窄带滤波器运行。在这种模式下，四极杆的质量分辨能力增强了，因为在“稳定”质量窄带之外的离子撞击到杆中而不是穿过到达检测器。然而，这个改进的质量分辨能力是以灵敏度为代价的。特别是当稳定性极限窄时，即使“稳定的”质量也仅仅在边际处是稳定的，并且因此这些中仅有相对小的分数到达了检测器。

关于针对解决四极质量过滤器的分辨能力的改进、而同时提高灵敏度的一个系统的背景信息被描述在授予斯科恩(Schoen)等人的、标题为“具有增强的灵敏度和质量分辨能力的四极质谱仪(AQUADRUPOLE MASS SPECTROMETER WITH ENHANCEDSENSITIVITY AND MASS RESOLVING POWER)”的美国序号12/716,138中，其披露内容是通过引用以其全部内容结合在此。

一般来说，美国序号12/716,138中所披露的系统利用一种在采集之后处理数据(图像流，即Qstream^TM)以便产生所希望的高灵敏度和高分辨率质谱的检测方案和方法。美国序号12/716,138中所描述的实施例之后的主要理念是可以测量由离子的任何一个均匀群体所产生的一组图像，以便形成一个“参考信号”。然后，在任意离子的混合物中，可以作为多个单独组分的叠合记载所观察到的信号，这些信号是所测量的参考信号的缩放形式。缩放是垂直的以解决丰度差异，并且是水平的以解决质荷比差异。当质量范围和质量稳定性极限是一个小分数的离子质量时，可以通过一个偏移来近似参考信号的膨胀。在其中分量信号是参考信号的偏移后的复制物的情况下，所观察到的数据可以被建模为质谱(包括在离散质量位置处的缩放的冲击信号)与参考信号之间的卷积。在此特殊情况下，可以通过快速去卷积来重新构建质谱。在分量信号实际上是通过膨胀而不是偏移来进行相关联的情况下，去卷积提供一种近似解决方案，其准确度反映出用时间偏移来代替时间膨胀有效的程度。因为近似的准确度随着质量稳定性极限的宽度而下降，因此需要相对窄的极限，这限制了工作周期(duty cycle)并且因此限制了灵敏度。因为近似的准确度随着与给定的参考信号相关联的质量范围的宽度而下降，因此有必要采用理想地将以规则的质量间隔分开的多个参考信号。所采集的、覆盖一个大质量范围的数据可以被分割成以参考信号为中心的多个小“块”。对于充分小的块来说，施加去卷积将提供各块的准确结果。质谱可以从这些块的分析“缝合(stitched)”在一起而成。这种“分块”运行模式涉及在计算和分析中的附加的复杂性，并且仅给出一个适度准确的、但欠佳的结果。

因此，在质谱法领域中有需要提供一种可以采集数据的系统和方法，该数据是所希望的质谱与一个固定的响应函数(即，参考信号)的卷积。即，来自相异的离子的群体的分量信号是通过简单的时间偏移、而不是时间膨胀来与所采集的参考信号进行相关联。如在此所引入的这类实施例是按一种新型方式、通过在一个四极质量过滤器上相对于时间指数式扫描RF和DC并且以一个恒定的RF/DC比例来实现的。结果是提供了在高灵敏度谱下的高质量分辨能力，该高灵敏度谱明显区别于由常规四极质谱方法和系统所产生的谱。

发明概述

本发明的一个第一方面是针对一种质谱仪器，该质谱仪器包括以下部件：1)一个四极杆，被配置成使得指数式渐变的振荡(RF)和直流(DC)电压可以施加至该装置的一组电极，其中该(RF)和(DC)电压是相对于时间以指数式来进行施加，并且在渐变进程中，被维持在相对彼此恒定的比例，因此使得该四极杆向它的远端选择性地传输在由所施加电压的幅值所决定的质荷比值(m/z)范围内的一个丰度的离子；2)一个检测器，被配置在该四极杆的该远端的邻近处，以便在所施加的指数式渐变的振荡和直流(DC)电压的进程中采集一系列的该丰度的离子；以及3)一个处理器，被联接到该检测器上并且被配置来使所采集的该系列的该丰度的离子经受作为所施加的指数式RF和/或DC场的函数的去卷积，以便提供一个质谱。

本发明的另一方面提供一种去卷积质谱法，该方法包括：通过一个四极杆来测量代表单一离子种类的一个测量的或预期的时间分布和/或时间和空间分布的一个参考信号，与此同时将随时间而变化的RF和DC电压施加至该四极杆；对该四极杆施加一个指数式渐变的振荡(RF)电压和一个指数式渐变的直流(DC)电压，其中在渐变进程中所述RF和DC电压被维持在相对彼此恒定的比例，以便向该四极杆的远端选择性地传输有待在由所施加的RF和DC电压的幅值所决定的质荷比值(m/z)范围内测量的一个丰度的离子；从该四极杆的远端采集该丰度的离子的时间或时间与空间测量值两者；通过将参考信号从所采集的离子测量值去卷积而重新构建一个质谱，因此提供规则的时间间隔的离子丰度的估算值；将其中提供估算值的时间点变换成质荷比，从而形成一个(抽样的)质谱；并且重新构建具有相异的m/z值和由所去卷积的质谱估算的强度一个列表。

因此，本发明提供一种新型的RF和/或DC指数式渐变的运行方法和对应的设备/系统，该方法和设备/系统通过计算作为时间的函数和/或作为时间和在一个四极杆出口的截面中的位置的函数的离子强度分布，使得使用者能够以近似约为一个RF周期的一个时间分辨率来采集综合质量数据。其应用包括但不严格局限于：石油分析、药物分析、磷酸肽分析、DNA和蛋白测序等，这些在此前是不能用四极系统来探询的。在此所述的运行方法以极少的附加的硬件成本或复杂性增强了质谱仪的性能。可替代地，可以放宽对制造公差的要求，以便减小总成本，而同时提高稳健性并且维持系统系能。

附图简要说明

图1示出了马修(Mathieu)稳定性图，其中一条扫描线代表了较窄的质量稳定性极限，还有一条“被减小的”扫描线，其中已经将DC/RF之比减小以便提供更宽的质量稳定性极限和增强的离子传输。

图2示出了可以用本发明的方法运行的三节质谱仪系统的有益的示例性构型。

图3A示出了所施加的RF电压幅值的作为质量的函数的指数式扫描。

图3B示出了所施加的RF电压幅值的作为时间的函数的指数式扫描。

详细说明

在本发明的说明书中，除非含蓄或明确地理解或另外陈述，应理解一个以单数出现的词语涵盖它的相对应的复数，并且以复数出现的词语涵盖它的相对应的单数。另外，除非含蓄或明确地理解或另外陈述，应理解在此描述的任何给定的部件或实施例、该部件的任何列出的可能的候选或替代物可总体上被单独使用或者彼此组合使用。此外，应理解如在此示出的图不一定是按照比例绘制的，其中这些元件中的一些可能仅仅是为了本发明的清晰而绘制出。并且，参考数字在各图中可能重复，以示出多个对应的或类似的元件。另外，除非含蓄或明确地理解或另外陈述，应理解这样的候选或替代物的任何列表仅仅是说明性的，并不是限制的。此外，除非另外指示，否则在说明书和权利要求中使用的表示组成部分、组成成分、反应条件等等的数量的数字应被理解为是由术语“大约”修饰的。

因此，除非相反地指示，否则在本说明书和所附权利要求书中阐述的数值参数是近似值，可取决于试图通过在此呈现的主题获得的所需要的特性而不同。至少，并且不是试图对本申请的原则或对等物以及对权利要求的范围进行限制，应当至少根据报告的有效位数的数字并且通过应用寻常的舍入技术来解释每个数值参数。尽管阐述在此呈现的主题的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但是在具体实例中阐述的数值是尽可能准确地报告的。然而，任何数值本质上就包含了必然由它们相应的测试测量中所发现的标准偏差引起的某些误差。

整体说明

常识认为四极质谱仪令人希望地是线性扫描(即RF幅值是时间的线性函数)，而扇形磁场质谱仪经常是指数式扫描。在本申请中，RF和DC场的作为时间的函数的指数式扫描被要求作为基于四极杆的质谱仪的一种有益运行模式，这些质谱仪如但不限于常规四极质量过滤器、四极离子阱、以及QStream^TM，即当前正开发的一种离子成像超分辨四极质谱仪，如在标题为“具有增强的灵敏度和质量分辨能力的四极质谱仪”的前述申请美国序号12/716,138中所类似地描述，其披露内容是通过引用以其全部内容结合在此。

如本领域的技术人员所已知，马修方程描述了离子的运动，并且因此描述了基于四极杆的质谱仪的运行。马修方程的解认为离子在四极杆中的轨迹由无量纲马修a和q参数、即当离子进入四极杆时的初始RF相位、以及离子的初始位置和速度决定。这类解经常被归类为有界的和无界的。有界的解对应于从不留下具有有限的半径的一个柱面的轨迹。典型地，有界的解等于沿着四极杆的长度携带离子到达检测器的轨迹。因为场是由具有有限长度和有限的经轴分离(transaxial separation)的多个杆产生，因此离子的理论稳定度和实际传输并不精确相关。例如，具有有界轨迹的一些离子撞击这些杆而不是穿过其中到达检测器，即，边界半径超过了四极杆孔的半径。相反，具有在边际处无界轨迹的一些离子穿过四极杆到达检测器，即，该离子在它的轨迹有机会在径向上向外扩展至无限远之前就到达了检测器。

如果m/z表示离子的质荷比，U表示DC偏置量，并且V表示RF幅值，则马修参数a与U/(m/z)成正比并且马修参数q与V/(m/z)成比例。(q，a)值的平面可以分割成与有界的解和无界的解相对应的相邻区域。q-a平面中的有界的和无界的区域的描绘被称为稳定性图。包含马修方程的有界解的区域被称为稳定性区域。稳定性区域是由与轨迹的x和y分量分别稳定的区域相对应的两个区域的相交部形成的。存在多个稳定性区域，但常规的仪器涉及主要稳定性区域。该主要稳定性区域在该q-a平面的原点处具有一个顶点。其边界单调上升至处于具有近似坐标(0.706，0.237)的点处的一个顶点，并且单调下降而在a轴上在近似0.908的q值处形成第三个顶点。常规上，只考虑该q-a平面的正象限。在这个象限中，稳定性区域类似于一个三角形，它的底是(水平)q轴。

图1示出了具有特定质荷比的离子的此种示例性马修四极稳定性图。为使离子穿过，它在X和Y维度上必须同时是稳定的。当该四极杆作为一个质量过滤器而运行时，U和V的值被固定。U和V的值可以令人希望地被选择成将一个选定的质量m_n靠近该图中的顶点放置，这样使得基本上只有具有质量m_n的离子可以传输并检测到。在此情况下，该四极过滤器的质量分辨能力是高的，但是以低传输为代价。对于固定的U和V值，具有不同m/z值的离子映射到该稳定性图中的穿过原点以及一个第二点(q*，a*)(用参考字符2表示)的一条线上。如由图1中的参考字符1表示的、称为运行线的值的集合可以由{(kq*，ka*)：k＞0}来表示，其中k与m/z成反比。该线的斜率等于2U/V。当U和V以零起始，并且作为时间的函数而增加，而同时维持一个恒定的U/V比时，以上所述的同一运行线还描述了由每一个离子随着时间的推移而横过的(q，a)值的集合。当RF和DC电压作为时间的函数而线性渐变时，U/V比保持恒定(如上所述进行“扫描”)并且每一个离子都沿着该运行线以随着时间的推移恒定、并且与离子的质荷比m/z成反比的一个速率移动。

因此，使用稳定性图作为指导的仪器可以是“停置的”，即，以固定的U和V运行以靶向特定的所感兴趣的离子(例如在图1的顶点处，如用m_n表示)，或者是“扫描的”，从而单调地增加U与V幅值二者以便将整个m/z值范围以相继的时间间隔从低m/z到高m/z带入稳定性区域内。

为了通过增加到达检测器的离子的丰度来提供增大的灵敏度，如图1中所示，扫描线1’可以被重新配置成具有减小的斜率，如由区域6和8所界定的。因为运行线1’的一个较长节段位于该稳定性区域内，因此四极过滤器允许较宽的质量值范围，从而导致质量分辨能力降低。另外，移动远离顶点通过增加实际到达检测器的“稳定”离子的分数而增大了离子传输。当扫描四极杆时，沿着运行线1’携带离子，在质谱中所观察到的峰不仅因为以上所述的增大的传输而是较高的，而且还因为每一个离子都在稳定性区域内耗费较长的时间分数而是较宽的。应注意当运行线从1移至1’时，到达检测器的总离子数的增加是通过增大的传输与每一个离子在稳定性区域内所耗费的增大的时间的乘积来增加。

当U和V是时间的严格的线性函数时，离子在稳定性区域内所耗费的时间与它的质荷比(m/z)成正比。这产生宽度也与m/z成正比的质谱峰。因为峰宽与m/z的比是恒定的，因此我们把它称为恒定分辨能力模式。因为运行线是不变的，所以每一个质谱峰的精细结构在一个时间膨胀之后也是不变的。时间膨胀考虑了离子横过同一运行线的不同速度。例如，在使质量轴膨胀2倍之后，在m/z处的峰可以叠合在2m/z处的峰上。然而，在常规实践中，施加RF和DC电压，以便递送恒定的峰宽，而不是恒定的分辨能力。有可能选择U的一个仿射函数，即在时间上线性加上一个恒定的偏置量，和V的在时间上严格线性变化的、递送所希望的恒定峰宽的函数。U的恒定偏置量具有使运行线2U/V的斜率随时间连续变化的作用。结果是，尽管峰宽恒定，在不同m/z处的两个峰并不叠合。任何峰的精细结构将是独特的，因为它横过一个独特的路径来穿过该稳定性区域。

在U.S.序号12/716,138中所述的方法中，即QStream^TM，采集了一系列的离子图像，其中来自相异的离子组分的每一个信号可以与一个共用的参考信号相关联。这种特性是通过恒定分辨能力运行模式来实现，在该模式中U/V之比保持恒定。假设通过恒定分辨能力运行模式，具有质荷比m的离子在时刻t置于稳定性区域中的位置(q，a)处。于是，具有质荷比km的离子将在时刻kt置于相同位置(q，a)处。不仅仅离子m在时刻t是稳定的，而且离子km在时刻kt也是稳定的，但实际上，它们离开四极杆的位置在空间上也是相同的，这假定它们以相同的初始条件(即轴向速度、经轴速度、经轴移位)并且以相同的RF相位进入四极杆。因为这种特性是通过离子的统计系综来满足的，因此如由不同质量的离子所形成的、由例如阵列检测器所捕获的图像是通过简单的时间膨胀来进行相关联。即，在具有质荷比m的离子的时间轴被张拉k倍后，由具有质荷比m的离子所产生的图像集合与由具有质荷比km的离子所产生的图像集合相同。

因此，美国序号12/716,138中总体上描述的重要原理是：有益的是首先测量由离子的任何一个均匀群体所产生的一组图像，以便形成一个“参考信号”。然后，在任意离子的混合物中，可以作为多个单独组分的叠合记录所观察到的信号，这些信号是所测量的参考信号的缩放形式。缩放是垂直的以解决丰度差异，并且是水平的以解决质荷比差异。

立刻认识到如果不同的分量信号是通过时间偏移、而不是时间膨胀来与任意的参考信号相关联，则所采集的数据可以被解释为参考信号与质荷比的潜在分布(即，质谱)的卷积。因此，潜在的质谱可以通过去卷积来重新构建。去卷积是简单、快速、并且巧妙的，并且因此是令人希望的。然而，首先模拟并且随后在一个原型仪器上进行的初始实验并未提供在某些质量范围上实现所希望的时间偏移特性的运行模式。为了补偿这一点并且还为了经由以上所述的方法提供有用的结果，RF和DC使线性扫描成为必须，但仅在小的质量范围和相对窄的稳定性限度上。例如，可以从质量500-520进行扫描。在这种运行模式中，k在相对于在质量510处的参考信号从0.98到1.02的范围内。使用这类窄的扫描范围，质量轴的膨胀可以基本上忽略，并且所观察到的分量信号(来自混合物中的不同离子)之间的关系可以近似为(纯)时间偏移。

尽管这种“线性扫描”运行模式提供增大的质量分辨能力和同时增大的灵敏度，但它在操作中有限制，因为它降低了去卷积结果的准确度并且迫使数据由小块“缝合”在一起，以便形成一个完整的质谱。此外，以这种“缝合”在一起的运行模式，多个参考信号经常需要在质量范围上在多个间隔处进行测量，这样使得每一个块仅含有少的时间/质量轴膨胀。幸运的是，有一种新型的替代解决方案，它就是如下文所披露的本专利申请的主题。

具体说明

对比之下，本发明经由利用一个四极仪器的在时间上是指数式而不是线性的扫描函数提供一种产生多个分量信号的希望的有益特性，这些信号是通过时间偏移、而没有在任何质量范围上的时间膨胀来进行相关联。在此新型方法中，U(m/z)和V(m/z)与以上针对一种常见运行模式的说明性实例相反，一般被设定为例如U＝c1 exp(s*t)并且V＝c2exp(s*t)，其中s是描述任何离子穿过一个给定值q和a的速度的比的一个常数。

为了说明一个四极仪器的指数式扫描的这种新型安排，如前所述假设具有质荷比m的一个离子在时刻t置于马修坐标(q*，a*)处。因此，具有质荷比km的一个离子在时刻t+Δt置于(q*，a*)处，其中exp(sΔt)＝k或等效地Δt＝log(k)/s。从以上方程中应注意的一个关键方面是时间偏移是独立于马修坐标q和a的。因此，来自具有任意质量的一个离子的信号是通过时间偏移携带到参考信号上。这种时间偏移仅仅取决于离子的m/z值与扫描速率之比。为了由一系列的图像形成一个质谱，之后在时域中执行数学去卷积，并且然后通过求幂将时间轴上的值变换为m/z值。

有待理解的这种运行模式的一个重要方面是去卷积过程产生超分辨率，即区分小于质量稳定性极限的宽度的离子质量、并且没有如美国序号12/716,138中所必需的将数据块“缝合”在一起以便形成所采集的质谱的繁重任务的能力。例如，一个典型四极杆的质量分辨能力被定义为m/Δm，其中Δm是质量稳定度极限的宽度。在理论上，一个四极杆中的高分辨能力可以通过收窄质量稳定性极限来获得，如以上所略微描述。然而，以上未描述的是在实践中，收窄质量稳定性极限引起离子强度的急剧下降，这是因为四极杆场的非理想性、由杆所形成的孔口的有限大小、以及在进入四极杆的离子的初始条件下的分散性。因此，四极质谱仪典型地是在单位分辨率下或在从数百到一至两千范围内的质量分辨能力下运行。

然而，借由RF和DC所施加的电压的指数式扫描(作为对美国序号12/716,138中所述情况的改进)，借由质量差异远小于质量稳定性极限的离子在四极杆的出口平面中的作为时间的函数的不同位置，可以区别它们。该稳定性极限可以被设置的相当宽，例如10Da或更大，这样使得离子强度实质上大于甚至在单位分辨率下的强度。在一个扫描模式中，宽的稳定性极限还导致成比例更大的“停留时间”，即离子稳定并且因此被检测到的时间间隔。

结果是，数万计的质量分辨能力(作为对美国序号12/716,138中所述且视为QStream^TM的情况的上述改进)可以远超过对于以单一检测器按常规模式运行时的四极质谱仪来说典型的分辨能力而实现。确切地讲，通过使用约1至多达约300道尔顿或更大的宽的质量稳定性极限，实现了高质量分辨能力，而没有牺牲灵敏度。

有趣且稍微意外的是，对四极杆中的电极群组的RF和DC所施加电压的指数式扫描的所得有益特性不限于QStream^TM(其中经常使用阵列检测方案采集离子图像)，而且还延伸至(当关联至在此所披露的其他方面时)常规四极质量过滤器和甚至四极离子阱的指数式扫描。例如，一个常规四极质量过滤器可以被认为是具有N个检测器(其中N＝1)的一个阵列的情况。可以获得仅仅是单个强度对时间的一个参考信号。数学去卷积可以使用与在此所述的相同的方程来执行。

本领域的技术人员应理解基于去卷积的方法不能用于从在按常规运行模式运行的四极质量过滤器上收集的数据中提取超分辨率信息。如以上所讨论，在常规模式中，RF和DC是在时间上线性扫描。以上说明了线性扫描的局限性。另外，RF和DC不被维持在恒定比例。

为进一步理解该问题，常规四极质谱仪运行以递送多个峰在整个质谱上具有相同宽度(例如0.7Da)的质谱。如果质谱仪以恒定的RF/DC之比来运行，那么峰宽随着质量线性变化。例如，如果具有质荷比m的一个离子在范围从t*-Δt至t*+Δt的时间内是稳定的，则具有质荷比km的一个离子在范围从k(t*-Δt)至k(t*+Δt)的时间内是稳定的，并且因此第二个峰比第一个峰宽k倍。重要的是应注意：在这种情况下的分辨能力是恒定的，即分辨能力(m/Δm)＝(km)/(kΔm)。

为了递送恒定的峰宽、而不是恒定的分辨能力，常规上在扫描过程中应用一个小的DC偏置量，作用是单调地增大RF/DC比。这种类型的安排将质量稳定性极限保持恒定，从而抵消否则可以发生的峰的膨胀。

整体结果是：常规的运行模式排除了使用基于去卷积的方法来产生超分辨率质谱。在常规四极质谱法中应用的DC偏置量引起不同的离子横过不同的路径来穿过稳定性图。如美国序号12/716,138中所披露，如果使用的是常规技术的话，尽管不同的离子具有类似宽度的峰，但离子的运动是完全不同的，并且不能通过时间轴的偏移、膨胀、或任何其他变换来叠合。即使使用单一检测器，这些峰可能定性相似地出现(即略微方形，具有相同峰宽)，其中强度轮廓的精细结构不再能叠合。

相比之下，通过在一个四极质量过滤器上相对于时间指数式并且如上述方程U＝c1exp(s*t)和V＝c2exp(s*t)所指示以一个恒定的RF/DC比扫描RF和DC，可以采集其中来自各离子的分量信号(“峰”)通过简单的时间偏移来与一个参考信号相关联的数据。这种有益的特性允许通过数学去卷积来产生超分辨率质谱。使用在此披露的新型方法，这类谱通过在高灵敏度下的所得高质量分辨能力来区别于常规的四极质谱。

作为一种运行方法，除了但不限于指数式扫描，本申请经常还要求：1)校正控制施加的电压(即RES_DAC)以便扫描线穿过原点的一个构建的仪器；2)收集用于去卷积的参考峰；3)将去卷积应用于原始数据；并且然后4)变换成一个(线性)质量轴。

通过指数式扫描提供的关系式dq/dt＝s*q也可以在离子阱的运行中实施，如以上所简要描述。在一个离子阱中，所感兴趣的q是由共振射出波形来决定。在按常规线性扫描模式运行的一个离子阱中，轻离子的本征频率以与重离子不同的速率接近共振射出频率。在如本文所披露的一个指数式扫描模式中，所有离子均以相同速率接近共振射出频率。这种令人希望的特性消除了峰形中质量依赖性变化的一个主要来源。对离子阱的运行的进一步精化可能是消除质量依赖性峰形变化的其他来源所必需。

因此，在本申请中可以基于去卷积使用一个不随质量变化的准确指定的峰形模型，实现超分辨率、即质量间隔显著小于一个峰的FWHM的两种质量的分辨。除了应用于美国序号12/716,138中描述的技术(例如经由Qstream^TM)，本发明的方法还使得常规四极质量过滤器和四极离子阱也能够受益于一种指数式扫描模式，该模式致力于在(指数式)时域中产生不随质量而变化的峰形，其中去卷积和变换可以产生超分辨的质谱。

指数式扫描本身可以在不改变固件的情况下实施。在所述水平下，装置设置是按照质量来进行定义。因此，将数字信号处理器(DSP)中的质量与时间之间的关系从线性改变为指数式是简单的。作为一种有益安排，可以在事件标志中引入指示一个给定的节段是指数式而非线性扫描的一个位元。

RF(V)和DC(U)值因此能够在时间上指数式渐变，这样使得所希望的离子的对应的q和a值也以指数式速率增大。想要对特别希望的质量提供选择性扫描(例如，单位质量分辨能力)的常规四极系统的使用者经常将他的或她的系统以选定的a：q参数进行配置并且然后以预定的不连续速率、例如约500(AMU/sec)的速率进行扫描以检测信号。

然而，虽然这种扫描速率和甚至更慢的扫描速率在此也可以用来增大所希望的信噪比，但本发明还可以任选地将扫描速度增大至约10000AMU/sec和甚至高达约100000AMU/sec作为上限，这是因为稳定性传输窗口更宽并且因此能够获得增大的定量灵敏度的离子范围更广。增大的扫描速度的益处包括减少测量时间帧以及与调查扫描相协作地运行本发明，其中可以对a：q点进行选择以便仅从其中存在信号的那些区域来提取另外的信息(即，目标扫描)，从而还增大总运行速度。

转回参看附图，图2示出了如总体上由参考数字300所指定示出的一个三节质谱仪系统(例如一个商业赛默飞世尔科技(Thermo FisherScientific)的TSQ)的有益的示例性构型，该系统具有一个检测器366，例如单一常规检测器(一个法拉第检测器)和/或一个时间和空间检测器，例如一个阵列检测器(CID，阵列光检测器等)。这种检测器366有益地位于四极杆的通道出口(例如图2的Q3)处以便提供可以通过数学去卷积重新构建成为一个富质谱368的数据。通过应用在此所述的去卷积方法，由这种运行产生的所得时间依赖性数据被转换成质谱，这些去卷积方法将四极杆的所记录的离子到达时间的、或除了在四极杆的离开平面中的空间位置以外的到达时间的集合转换成一组m/z值和相对的丰度。

检测器本身可以是一个常规检测器(例如一个法拉第检测器)，以便记录所允许的离子信息。通过这种安排，所收集的时间依赖性离子电流提供了随渐变的指数式电压而变、在射束截面中的给定位置处具有包络线的一个样品。重要的是，由于给定m/z值和渐变电压的包络线与略微不同的m/z值和偏移的渐变电压的包络线是大致相同的，因此针对两个具有略微不同的m/z值的离子所收集的时间依赖性离子电流也通过一个时间偏移量而相关联，该时间偏移对应于所施加的指数式渐变的RF和DC电压的偏移。离子在四极杆的离开截面中的出现取决于时间，这是因为RF和DC场取决于时间。具体来说，因为RF和DC场是通过使用者来控制的，并且因此是已知的，所以所收集的离子的时间序列可以使用针对具有任意m/z的离子的熟知的马修方程的解来有益地建模。

然而，尽管可以利用一个常规的时间依赖性检测器，但应理解也可以利用时间依赖性/空间(例如阵列检测器)，因为实际上在四极杆的离开孔隙处、在一个预定的空间平面上存在与时间相关的多个位置，每一个位置具有不同的详情和信号强度。在这种安排中，所施加的DC电压和RF幅值可以与RF相位同步地步进，以便提供针对任意场条件的离子图像的测量。通过用任一种检测器安排来改变所施加的场，本发明可以获得关于样品的整个质量范围的信息。

作为附加批注，存在可以作为在配置后的四极杆开口处的截面中的位置以及离子的初始速度的函数(如果未检验的话)而干扰初始离子密度的场分量。例如，仪器的入口的场末端，如Q3，经常包括一个依赖于离子注入的场分量。当离子进入时，它们进入时的RF相位造成了入口相位空间或离子初始条件的初始移位。由于离子的动能和质量决定了其速度并因此决定了离子在四极杆中停留的时间，因此所得的时间决定了离子的初始的与离开时RF相位之间的偏移。因此，作为总RF相位的函数，能量的小变化改变了这种关系并且因此改变了离开时的图像。此外，该离开时的场的一个轴向分量也可以扰乱该图像。虽然在不检验时多少是不利的，但本发明可以被配置成按如下方式减轻此类分量：例如将离子在多极杆(例如像图2所示的所配置的碰撞室Q2)中冷却并通过在该装置内对离子进行相位调制而将离子注射到轴线上或者优选地略微偏离中心。参考信号的直接测量，而不是马修方程的直接解允许考虑场中的多种非理想性。马修方程可以在这种情形下用于将针对一个已知m/z值的参考信号转换成针对某一范围的m/z值的一个家族的参考信号。这种技术提供了对施加的场中的非理想性具有容许性的方法。

返回参看图2的质谱仪系统，应理解，如以上所讨论，本实施例的指数式渐变方法还可以与其他质谱仪系统和/或具有与在此所描述的那些不同的架构和配置的其他系统相结合进行实践。在次重申，图2的四极质谱仪系统300不同于常规四极质谱仪之处在于本发明不仅提供所施加的RF和DC场的指数式渐变，而且还没有DC电压的偏置量。

进一步讨论图2，如本领域的技术人员所已知，由来源352提供的离子能够经由预定的离子光学件而被引导，从而被促使穿过一系列的具有渐减压力的腔室，这些离子光学件经常可以包括管式透镜、分离器(skimmer)以及多极杆(例如参考字符353和354，选自射频RF四极和八极离子引导件)等等，这些腔室操作性地引导并聚焦此类离子以便提供良好的传输效率。这些不同的腔室与连接到一组泵(未示出)的多个相应端口380(在图中用箭头表示)连通以便将压力维持在所希望的值。

图2的示例性系统300还被示出展示为一个三节配置364，该配置具有标记为Q1、Q2以及Q3、电耦合至相应的电源和控制仪器(未示出)以便作为一个四极杆离子引导件来执行的区段，如本领域的普通技术人员所已知。应注意，本发明的这类杆结构可以按或者仅射频(RF)的模式或者RF/DC模式来运行，在此优选的是按指数式RF渐变模式、而没有施加的DC偏置量来运行。取决于具体施加的RF和DC电势，仅允许具有选定荷质比的离子穿过此类结构，而剩余的离子遵循不稳定的轨迹从而导致从施加的多极场中逸出。随着DC与RF电压的比率成比例的增大，离子质量的传输频带变窄，以便提供质量过滤器操作，如本领域技术人员已知并且理解。

在优选的实施例中，对本发明的四极装置(如图2中所示(例如Q3))的预定相反的电极施加的所希望的渐变的RF和DC电压，其施加方式是提供一个预定的稳定性传输窗口(例如从约1道尔顿至约300道尔顿宽或更大)，该窗口被设计成使得更大传输率的离子被引导穿过该仪器、通过检测器366收集在四极杆(例如Q3)的离开通道中，并且被处理从而确定质量特征。如在此被理解为新颖性的关键方面，指数式施加的RF电压和对应的指数式施加的DC电压是处于恒定比例，以便考虑横过稳定性区域的相异种类的离子的时间偏移(参见图1)。尽管本申请的指数式施加的RF和DC电压优选地在渐变进程中被维持在恒定的比例，同样应理解本实施例也可以用施加的指数式渐变的RF和DC电压来操作，这些电压是按在渐变进程中不处于恒定比例的方式来施加。然而，这种施加使所采集的数据的去卷积中的另外的困难成为必然。

质谱仪300的运行可以通过已知类型的不同电路系统的一个控制器和数据系统(未描绘)进行控制并且可以通过它来采集数据，该系统可以被实施为用于既对图2所示的单一通道或阵列检测器366又对其他质谱仪和/或相关仪器提供仪器控制和数据分析的通用或专用处理器(数字信号处理器(DSP))、固件、软件中的任何一种或其组合，和/或被配置成执行能够对这类仪器装备进行控制的一组指令的硬件电路系统。从检测器366和相关仪器接收的数据的这类处理也可以包括取平均值、扫描分组、去卷积、库搜索、数据存储以及数据报告。

还应了解的是，启动比在此披露更慢或更快的预定扫描的指令、从对应的扫描来在原文件中鉴定一组m/z值、合并数据、将结果导出/显示/输出给使用者等等，可以经由基于数据处理的系统(例如控制器、计算机、个人计算机等等)来执行，该系统包括用于执行质谱仪300的上述指令和控制功能的硬件以及软件逻辑。

另外，如以上所描述，这类指令和控制功能也可以由如图2所示的一个质谱仪系统300来实施，如通过机器可读介质(例如计算机可读介质)所提供的。根据本发明的多个方面，计算机可读介质是指本领域普通技术人员已知的并且了解的介质，这些介质具有以一台机器/计算机可以读取(即，扫描/感测)的、并且由所述机器/计算机的硬件和/或软 件可解释的形式提供的编码信息。

因此，如图2所示，当由被配置在系统300中的四极杆364引导的一个有益的检测器366接收到一个给定的谱的质谱数据时，嵌入本发明的计算机程序中的信息可以被用来例如从该质谱数据中提取对应于一组选定的质荷比的数据。此外，嵌入本发明的计算机程序中的信息可以被用来以本领域普通技术人员理解并希望的方式进行用于标准化、转移数据、或从原始文件中提取不想要的数据的方法。

转回参看图2的示例性质谱仪300系统，含有所关注的一种或多种分析物的一个样品可以经由一个离子源352在或接近大气压或在由系统要求所定义的压力下操作而电离。具体来说，该离子源352可以包括电子电离(EI)源、化学电离(CI)源、基质辅助激光解吸电离(MALDI)源、电喷射电离(ESI)源、大气压化学电离(APCI)源、纳米电喷射电离(NanoESI)源、以及大气压电离(API)等等。

取决于对四极杆(例如Q3)的具体的指数式施加的RF和DC电势(并且在恒定的RF/DC比下))，只有具有选定的质荷(m/z)比的离子被允许穿过，而剩余的离子遵循不稳定的轨迹，从而导致从施加的多极场中逸出。因此，对本发明的多极装置(如图2中所示(例如Q3))的预定相反电极指数式施加的RF和DC电压，其施加方式可以是提供预定的稳定性传输窗口，该窗口被设计成使得更大传输率的离子能够被引导穿过该仪器、在出口孔隙处被收集并且被处理从而确定质量特征。

因此，示例性多极杆，例如图2的Q3，可以与系统300的共同部件一起被配置以便提供可能高达约1百万的质量分辨能力，其中与使用典型的四极扫描技术时相比，灵敏度的数量增加了高达约200倍。具体来说，指数式施加的RF和DC电压可以随时间得以扫描以便探询在预定m/z值(例如，300AMU)上的稳定性传输窗口。之后，具有稳定性轨迹的离子到达能够以近似10RF的周期进行时间分辨的检测器366。

“线性扫描”的分析(RF对时间线性、DC对时间仿射)

考虑由方程1和2给出的线性扫描的最一般情况：

U(t)＝c₁t+U₀，       (1)

V(t)＝c₂t.           (2)

如由以上方程1和2所示，RF幅值V(t)在时间上是线性的，但本实施例允许在U(t)中有一个恒定的偏置量，从而使U(t)仿射，而不是严格线性。需要偏置量U₀用于恒定的峰宽运行，如以下所示。

考虑具有质量m和电荷z＝1的具体离子。以下选定z＝1，而不失一般性，以便简化方程。然后，此离子的作为时间的函数的马修参数是：

$q\left(t\right)=\frac{4V\left(t\right)}{{\mathrm{\ω}}^2{r_0}^{2}m}=\frac{\mathrm{kV}\left(t\right)}{m}=\frac{{\mathrm{kc}}_{2}t}{m}---\left(3\right)$

$a\left(t\right)=\frac{8U\left(t\right)}{{\mathrm{\ω}}^2{r_0}^{2}m}=\frac{2\mathrm{kU}\left(t\right)}{m}=\frac{2k(c_{1}t+U_0)}{m}---\left(4\right)$

其中k是由下式给出的一个常数：

$k=\frac{4}{{\mathrm{\ω}}^2{r_0}^2}.---\left(5\right)$

对于c1＞0和c2＞0，离子在0时刻在稳定性图(参见图1作为参考)中的位置是(0，2kU₀/m)并且沿着斜率为c1/c2的一条直线、以恒定速率斜向上移动并且到达右侧。

目标是确定所选离子稳定的时间间隔。这产生一组质量校正方程，这些方程允许按照峰宽、以质量为单位来解释时间间隔。具体来说，希望理解c₁、c₂以及U₀的不同值的作用。

首先，为简化分析仅在它的顶点邻近区中考虑稳定性区域，该顶点由(q*，a*)表示。在一个小的邻近区中，稳定性区域的边界可以近似为在(q*，a*)处相交的两条直线a_L与a_R的相交点，这两条直线如由以下方程6和7所示：

a_L＝a^*+s_L(q-q^*)        (6)

a_R＝a^*+s_R(q-q^*)        (7)

其中s_L和s_R分别表示左和右边界线的斜率。s_L和s_R的近似值分别为0.61和-1.17。

当离子的轨迹与左边界线相交时，离子进入稳定性图，并且当它与右边界线相交时离开稳定性图。进入时间例如是通过以下来确定的：将来自方程4的右手侧的a(t)的表达式代入方程6的左手侧用于aL，并且将来自方程3的右手侧的q(t)的表达式代入方程式7的右手侧用于q。在以下方程8中用t_L来代替t，以表示对这个方程求解的t的值代表当离子横越过左边界时的时间：

$\frac{2k(c_1{t}_L+U_0)}{m}=a^{*}+s_L(c_2{t}_L-q^{*}).---\left(8\right)$

对t_L进行求解，得到：

$t_L=\frac{a^{*}-s_L{q}^{*}}{k(2c_1-s_L{c}_2)}m-\frac{2U_0}{k(2c_1-s_L{c}_2)}.---\left(9\right)$

进入时间以一个与时间和质量相关的缩放因子线性依赖于质量，该因子取决于扫描速率c₁和c₂、取决于RF场的常数k、以及描述稳定性区域的几何常数。相似的方程(未示出)给出离开时间并且通过用s_R代替s_L获得。

假设具有质量m和电荷1的离子通过具有如方程1和2所限定的RF和DC扫描的四极质谱仪来分析。然后，在理论上，所述类型的离子将在时间间隔(t_L，t_R)中到达检测器，并且在所采集的数据中将观察到一个峰跨过那个间隔。

由tc表示的峰的时间-质心、或更确切地说进入与离开时间之间的中点是通过方程10给出：

$t_c=\frac{1}{2}(t_L+t_R).---\left(10\right)$

由Dt表示的峰宽、或更确切地说进入与离开时间之间的时间差异是由以下方程给出：

t_c＝t_R-t_L.        (11)

时间-质心和峰宽的表达式可以通过将针对t_L的方程9的右手侧和针对t_R的类似表达式代入推导而来，其中这些变量分别出现在方程10和11的右手侧。这些表达式是复杂的，并且不提供显著的启示。然而，有三种确实提供启示的特殊的情况要考虑。

情况1：无限分辨率

a(t)/q(t)比是运行线的斜率。在这种情况下，选择该斜率，以使得该运行线穿过稳定性图的顶点(q*，a*)。然后，设定U₀＝0，这样使得该运行线对于所有离子质量均相同，该线穿过原点和(q*，a*)。当U₀＝0时，a/q比是常数并且等于2c1/c2。在以下推导式中用s表示2c1/c2比：

$s=\frac{2c_1}{c_2}=\frac{2U\left(t\right)}{V\left(t\right)}=\frac{a\left(t\right)}{q\left(t\right)}---\left(12\right)$

用s*表示顶点坐标a*/q*之比。为将运行线置于该稳定性区域的顶点处，选定s等于s*。

在这种情况下，大体上在方程9中给出的进入时间的表达式被显著简化。在方程9的右手侧的第二项是零，这是因为U₀＝0。设定2c1＝s*c2产生了倒数第二个表达式，该表达式通过用a*/q*代替s*、用q*乘以分子和分母、并且消去共有因子a^*-s_Lq^*来进一步简化：

$t_L=\frac{a^{*}-s_L{q}^{*}}{k(2c_1-s_L{c}_2)}m=\frac{a^{*}-s_L{q}^{*}}{k{c}_2(s^{*}-s_L)}m=\frac{q^{*}}{k{c}_2}m.---\left(13\right)$

通过类似的代数操作，t_R＝t_L，并且因此t_C＝t_L＝t_R。在方程式13中用t_C代替t_L，并且对t_C进行求解给出一个质量校正方程，如通过方程14所示：

$m=\frac{k{c}_2}{q^{*}}{t}_c.---\left(14\right)$

当用穿过原点和稳定性区域的顶点的扫描线操作时，具有时间与质量之间的线性关系。缩放因子取决于k(四极杆半径和频率)、c2(扫描速率)以及q*(由稳定性区域决定)。

同样，因为t_L＝t_R，峰宽Dt＝0。在理论上，可以具有无限的分辨率并且还具有零传输率。实际上，因为四极杆是非理想的，相反具有有限的分辨率和非零传输率。即使这样，无限分辨率的理论情况也充当用来比较恒定峰宽和恒定分辨能力的运行模式的基本情况。

情况2：恒定峰宽

四极质量过滤器的典型运行模式是恒定峰宽模式。为了产生恒定峰宽，设定s＝s*并且U₀为一个非零常数。当U₀非零时，运行线的斜率作为时间的函数而变化。

$\frac{a\left(t\right)}{q\left(t\right)}=\frac{2U\left(t\right)}{V\left(t\right)}=\frac{2(c_{1}t+U_0)}{c_{2}t}=\frac{2c_1}{c_2}+\frac{2U_0}{c_{2}t}---\left(15\right)$

斜率在t＝0时将是无限的，但未针对t＝0定义运行线。随着t增大，斜率逐渐下降并会聚至a/q＝s*，即稳定性区域的顶点。

现在，如以上所述，考虑具有质量m和电荷1的离子。t进入稳定性区域的时间是由方程16给出，该方程通过在方程9中设定2c1＝s*c2(即s＝s*)来形成：

$t_L=\frac{a^{*}-s_L{q}^{*}}{k(s^{*}-s_L)}m-\frac{2U_0}{k{c}_2(s^{*}-s_L)}=\frac{q^{*}}{k{c}_2}m-\frac{{2U}_0{q}^{*}}{k{c}_2(a^{*}-s_L{q}^{*})}=t^{*}-\frac{2U_0{q}^{*}}{k{c}_2}{\mathrm{\α}}_L,---\left(16\right)$

其中t*表示质量m在无限分辨率情况下横越过稳定性区域的时间：

$t^{*}=\frac{q^{*}}{k{c}_2}m---\left(17\right)$

并且α_L是仅依赖于稳定性区域的几何学的常数：

${\mathrm{\α}}_L=\frac{1}{a^{*}-s_L{q}^{*}}.---\left(18\right)$

对于t_R，还有一个类似的表达式。然后，通过以下方程给出峰的时间质心t_C：

$t_C=t^{*}-\frac{U_0{q}^{*}}{k{c}_2}({\mathrm{\α}}_L+{\mathrm{\α}}_R),---\left(19\right)$

其中α_R是类似于α_L的几何常数。

如果应用通过方程14给出的校正关系式来将t_C转换为质量，则具有以下方程：

m_C＝m-U₀(α_L+α_R)         (20)

我们认识到为U0选定一个非零值相对于其中U₀＝0的无限分辨率情况诱导了一个质量偏移偏移。该质量偏移偏移在U₀上是线性的并且独立于m。针对质量偏移偏移的比例常数仅依赖于这些几何常数。峰宽是由以下方程给出：

Δm＝2U₀(α_R-α_L).            (21)

为以恒定的峰宽Dm来运行该系统，为U₀选定方程22中给出的所需的值：

$U_0=\frac{\mathrm{\Δm}}{2({\mathrm{\α}}_R-{\mathrm{\α}}_L)}.---\left(22\right)$

然后，使用方程20校正出所引入的质量偏移偏移。应注意具有讽刺意味的是，这种恒定的峰宽模式并不产生不随偏移偏移变化的峰。尽管真实地是峰具有相同峰宽，但离子横过不同的(非线性)路径来穿过稳定性图。结果是，峰轮廓的精细结构未对准。

情况3：恒定的分辨能力

为实现恒定的分辨能力，重新设定U0为零，但选定s＜s*，回想起s被定义为2c1/c2。在这种情况下，运行线不随时间而改变，但位于稳定性图的顶点之下。

用Ds表示s*-s差。于是，方程9变为：

$t_L=\frac{a^{*}-s_L{q}^{*}}{k{c}_2(s-s_L)}m=\frac{a^{*}-s_L{q}^{*}}{k{c}_2(s^{*}-\mathrm{\Δs}-s_L)}m=\frac{q^{*}(a^{*}-s_L{q}^{*})}{k{c}_2[(a^{*}-s_L{q}^{*})-\mathrm{\Δs}]}m=\frac{q^{*}m}{k{c}_2}\left(\frac{1}{1-\frac{\mathrm{\Δs}}{a^{*}-s_L{q}^{*}}}\right).---\left(23\right)$

因为Ds＜＜a^*-s_Lq^*，方程23的右手侧可以通过一个一级泰勒级数来近似：

$t_L~\frac{q^{*}m}{k{c}_2}(1+\frac{\mathrm{\Δs}}{a^{*}-s_L{q}^{*}})=\frac{q^{*}m}{k{c}_2}(1+\mathrm{\Δs}{\mathrm{\α}}_L).---\left(24\right)$

峰的时间-质心是通过以下方程来给出：

$t_C~\frac{q^{*}m}{k{c}_2}[1+\frac{\mathrm{\Δs}}{2}({\mathrm{\α}}_L+{\mathrm{\α}}_R)].---\left(25\right)$

如果如上所述(方程14)进行校正，则具有：

$m_C~m[1+\frac{\mathrm{\Δs}}{2}({\mathrm{\α}}_L+{\mathrm{\α}}_R)].---\left(26\right)$

在此情况下，观察到质量偏移在质量上是线性的。所得峰宽在时间上也是线性的，如由方程27所示出：

Δm～mΔs(α_L-α_R)        (27)

如果将质量分辨能力R定义为m/Dm，则具有：

$R=\frac{m}{\mathrm{\Δm}}~\frac{1}{\mathrm{\Δs}({\mathrm{\α}}_L-{\mathrm{\α}}_R)}.---\left(28\right)$

选定Ds以如方程28中所示实现所希望的分辨能力。

$\mathrm{\Δs}~\frac{1}{R({\mathrm{\α}}_L-{\mathrm{\α}}_R)}.---\left(29\right)$

这证明了使用斜率s小于s*的一个恒定的运行线(U₀＝0)产生了具有恒定质量分辨能力的一个质谱。

在选定Ds之后，通过对方程25中的m进行求解，推导出质量校正关系。

$m~\frac{k{c}_2}{q^{*}[1+\frac{\mathrm{\Δs}}{2}({\mathrm{\α}}_L+{\mathrm{\α}}_R)]}{t}_C---\left(30\right)$

在此恒定分辨能力情况下，多个峰具有不同的宽度，但离子横过相同的路径穿过稳定性图。结果是，这些峰通过简单的水平缩放或膨胀来进行相关联。例如，由具有质量m的离子产生的峰可以叠合到质量2m的一个峰上，这是通过将前者放大2倍。

按恒定的分辨率模式运行的优点在于峰是可叠合的。本申请更严格地说要求峰通过时间偏移、而不是膨胀是可叠合的。幸运地是，这可以通过将RF和DC的时间依赖性从线性改变为指数式来实现，如本文所披露。

去卷积过程的讨论

去卷积过程是从特定质谱分析仪(例如四极杆)和检测器采集的数据的一种数值变换。所有质谱法都递送了一系列质量以及这些质量的强度。将一种方法区别于另一种的是该方法是如何完成的以及所产生的质量-强度清单的特征。确切地说，在质量之间进行区分的分析仪一直在质量分辨能力上受到限制，并且该质量分辨能力建立了在所报告的质量和强度两方面的特异性和准确性。术语丰度灵敏度(即，定量灵敏度)在此用来描述分析仪测量在干扰种类附近的强度的能力。因此，本发明利用一个去卷积方法来在这样的干扰信号附近实质性提取信号强度。

对单同位素物种的仪器响应可以描述为堆叠的一系列二维图像，并且这些图像以集合形式出现，这些集合可以、但不必(如果使用一个常规检测器的话)分组为一个三维数据包，该三维数据包在此描述为体素。每个数据点事实上是一个短的图像序列。虽然有可能使用体素内的数据的像素至像素的接近性，但将该数据视为二维的，其中一个维度是质量轴而另一个是由一系列扁平的图像构成的向量，这些图像描述了在特定质量处的仪器响应。这种仪器响应具有有限的范围并且在别处为零。这个范围被称为峰宽度并且以原子质量单位(AMU)表示。在典型的四极质谱仪中，将这设定为一，并且仪器响应本身被用作对质谱仪的质量分辨能力和特异性的限定。然而在仪器响应内，存在另外的信息并且实际的质量分辨能力极限要高得多，虽然存在与采集弱离子信号时固有的统计方差的量相关的另外的限制条件。

虽然仪器响应在该系统的整个质量范围上不是完全均匀的，但它在任何局部都是恒定的。因此，有一个或多个模型仪器响应向量可以描述该系统在整个质量范围上的响应。所采集的数据包括卷积的仪器响应。因此本发明的这个数学过程将所采集的数据(即，时间序列和/或时间/空间图像)去卷积而产生具有观察到的质量位置和强度的一个准确列表。

因此，本发明的去卷积方法被有益地应用于从经常包含四极装置的质量分析仪采集的数据，该四极装置具有低的离子密度，如本领域普通技术人员已知的。由于这种低的离子密度，在该装置中所得的离子-离子相互作用是小到可忽略的，从而有效地使得每个离子轨迹都能够基本上是独立的。此外，由于在运行中的四极杆中离子电流是线性的，因此由穿过该四极杆的离子混合体产生的信号基本上等于(N)穿过四极杆的每个离子在被接收到例如检测器阵列(如上所述)时所产生的信号的叠加和。

本发明经由检测到的数据的一种模型来利用上述叠合效应，作为已知信号的线性组合，这可以被细分为以下顺次的阶段：

1)产生质谱，在这N个信号通过单位时间偏移而叠合的限制条件下进行强度估算；并且

2)选择上述信号的具有显著不同于零的强度的一个子集，并随后对其强度进行精化以便产生一个质量清单。

因此，以下讨论从一个配置的四极杆产生的一个或多个捕获图像的去卷积过程，例如通过一个联接的计算机所执行的。开始时用数据向量X＝(X₁，X₂，...X_J)表示J个观察值的集合。用y_j表示具有对应于测量值X_j的独立变量的值的向量。例如，在本申请中这些独立变量是离开截面中的位置和时间；因此y_j是描述可以测量X_j的条件的三个值的向量。

对N个已知信号的最佳强度标定的理论估算

在对N个已知信号的线性叠合进行去卷积的一般情况下：假定具有N个已知信号U₁、U₂、...U_N，其中每个信号是具有J个分量的一个向量。在该数据向量的J个分量与每个信号向量的J个分量之间存在一对一的对应关系。例如，考虑第n个信号向量U_n＝(U_n1，U_n2，...U_NJ)：U_nj代表第n个信号的值，如果它是在y_j处“测量”的。

可以通过选择一系列强度I₁、I₂、...I_N、标定每个信号向量U₁、U₂、...U_N并且将它们加在一起以形成模型向量S，如方程31所指示的。

$S(I_1,I_2,...I_N)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n{U}_n---\left(31\right)$

该模型向量S具有J个分量，就像每个信号向量U₁、U₂、...U_N，这些分量与数据向量X的分量存在一对一的对应关系。

用e表示通过S近似X时的“误差”并且接着寻找值I₁、I₂、...I_N的一个集合，该集合将e最小化。e的选择多少是任意的。如在此披露的，将e定义为数据向量X的分量与模型向量S的分量之间的差方和，如方程32所示的。

$e(I_1,I_2,...I_N)=\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{(S_j(I_1,I_2,...I_N)-X_j)}^2---\left(32\right)$

这种记数法明确显示了模型和模型中的误差对这N个选定强度值的依赖性。

通过定义一个强度向量I(方程33)、定义一个差向量Δ(方程34)、并且使用一个内积运算符(方程35)来简化方程32：

I＝(I₁，I₂，…I_N)                        (33)

Δ(I₁，I₂，…I_N)＝S(I₁，I₂，…I_N)-X

                                         (34)

$a\·b=\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j{b}_j---\left(35\right)$

在方程35中，a和b均假定为具有J个分量的向量。

使用方程33-35，可以将方程32改写成方程6中所示的那样。

e(I)＝Δ(I)·Δ(I)

                                         (36)

用I*表示I的最佳值，即将e最小化的向量：强度I*＝(I₁*，I₂*，...I_N*)。然后，e相对于I在I*处估算的的一阶导数为零，如由方程37所指示。

$\frac{\∂e}{\∂I}\left(I^{*}\right)=0---\left(37\right)$

方程37是对N个方程的简写，每个强度I₁、I₂、...I_N一个。

可以使用链式法则来估算方程6的右手侧：其中误差e是差向量Δ的函数，Δ是模型向量S的函数，并且S是强度向量I的函数，强度向量含有强度I₁、I₂、...I_N。

然后考虑e相对于强度之一I_m在(未知的)I*处估算的导数，其中m是[1..N]中的一个任意的指标。

$\frac{\∂e}{\∂I_m}\left(I^{*}\right)=\frac{\∂}{\∂I_m}(\mathrm{\Δ}\left(I\right)\·\mathrm{\Δ}\left(I\right)){|}_{I=I^{*}}=2\frac{\∂\mathrm{\Δ}}{\∂I_m}\left(I^{*}\right)\·\mathrm{\Δ}\left(I^{*}\right)---\left(38\right)$

$\frac{\∂\mathrm{\Δ}}{\∂I_m}\left(I^{*}\right)=\frac{\∂}{\∂I_m}(S\left(I\right)-X){|}_{I=I^{*}}=\frac{\∂S}{\∂I_m}\left(I^{*}\right)---\left(39\right)$

$\frac{\∂S}{\∂I_m}\left(I^{*}\right)=\frac{\∂}{\∂I_m}\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_m{U}_n\right){|}_{I=I^{*}}=U_m---\left(40\right)$

现在可以使用方程39-40代替方程38右手侧的

$\frac{\∂e}{\∂I_m}\left(I^{*}\right)=2U_m\·\mathrm{\Δ}\left(I^{*}\right)---\left(41\right)$

然后可以使用方程4代替方程11右手侧Δ(I*)。

$\frac{\∂e}{\∂I_m}\left(I^{*}\right)=2U_m\·(S\left(I^{*}\right)-X)---\left(42\right)$

将方程42的右手侧设为零，如方程37中所示的最优化准则所指明的，得到了方程43。

U_m·S(I^*)＝U_k·X               (43)

现在可以使用方程1代替方程43左手侧的S(I*)。

$U_m\·\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I_n}^{*}{U}_n\right)=U_m\·X---\left(44\right)$

注意，方程14将未知的强度{I_n*}与已知的数据向量X和已知的信号{U_n}相关联。剩下的全部是代数的重整，得到了{I_n*}的值的表达式。

使用内积的线性，将在方程44左手侧出现的和的内积改写为内积的和。

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I_n}^{*}(U_m\·U_n)=U_m\·X---\left(45\right)$

方程45的左手侧可以写为一个行向量与一个列向量的积，如方程46中所示。

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I_n}^{*}(U_m\·U_n)=\left[\begin{array}{cccc}{U}_m\·U_1& U_m\·U_2& ...& U_m\·U_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I^{*}}_1\\ {I^{*}}_2\\ .\\ .\\ .\\ {I^{*}}_N\end{array}\right]---\left(46\right)$

定义行向量A_m(方程47)和标量a_m(方程48)。这两个量都依赖于指标m。

A_m＝[U_m·U₁ U_m·U₂ … U_m·U_N]     (47)

a_m＝U_m·X                        (48)

使用方程46-48可以简洁地改写方程45。

A_mI^*＝a_m                 (49)

方程49对[1..N]中的每个m都有效。我们可以将全部N个方程(以方程45的形式)写入具有N个分量的列中。

$\left[\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\\ .\\ .\\ .\\ A_N\end{array}\right]I^{*}=\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ .\\ .\\ .\\ a_N\end{array}\right]--\left(50\right)$

方程50的左手侧的列向量含有N个行向量，每个行向量的大小为N。具有多个行的这种列代表将用A表示的N×N矩阵。通过用1取代方程47中的m并且代替方程20的左手侧的列向量的第一行中的A₁形成矩阵A。对指标2...N重复这个过程，由此构建一个N×N的矩阵，其元由方程51给出。

$A_{\mathrm{mn}}=U_m\·U_n=\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{\mathrm{mj}}{U}_{\mathrm{nj}}---\left(51\right)$

如方程21所指示的，在矩阵A的第m行、第n列的矩阵元是第m个信号和第n个信号的内积。用a表示方程50的右手侧的列向量。

综合起来，这N个方程整合为单一的矩阵方程：

AI＝a         (52)

其中在方程52的右手侧出现的向量a的分量是由方程48定义的。

在没有信号重叠、即无论是否m≠n都有A_mn＝0的平凡情形下，A是一个对角矩阵。在此情况下，对于[1..N]中的每个n，最优强度的解是由I_n*＝a_n/A_nn给出。另一种特殊情况是这些信号可以分成K个簇，使得只要m和n属于相异的簇就有A_mn＝0。在此情况下，A是一个分块对角矩阵；所得的矩阵方程可以分成K个(子)矩阵方程，每个簇(或子矩阵块)一个。这种分块对角的情况仍是O(N³)、但涉及比一般情况更少的计算。

一般，对方程22形式的方程求解具有O(N³)的复杂性。即，确定N个未知强度所要求的计算次数随着未知强度个数的立方而扩大。

1)特殊情况：这N个信号可通过单位时间偏移叠合。

在这一部分中，对这个问题强加了一些另外的限制条件以便在求解(方程52)的一般情况的复杂性方面提供显著的减少。

限制条件1：任何一对信号U_m和U_n可以通过时间偏移而叠合。

限制条件2：相邻信号U_n和U_n+1之间的时间偏移对于[1..N-1]中的所有n都是相同的。

对限制条件(1)的一个等效的陈述是所有信号可以由一个经典信号U的时间偏移来代表。这个限制条件可适用于高质量分辨能力四极杆问题。第二个限制条件得到了容易确定的解，用于检测信号并提供对其位置的初始估算，尽管在信号之间存在显著的重叠。这两个限制条件将方程52的解从O(N³)问题减少到O(N²)问题，如以下讨论的。

以上的限制条件(1)可以用方程53符号式地表示：

U_n[v，q]＝U_m[v，q+n-m]                 (53)

其中v是代表除时间外的所有独立变量的值的一组指标(即，在此情况下是离开截面中的位置和初始的RF相位)并且q是时间指标。由于这些信号是通过时间偏移进行相关联，因此必须在时间与影响观察结果的其他独立变量之间进行区分。

对于有待明确定义的方程53，在任一时间点m所取的测量值的集合必须涉及在任何其他时间点n的v的值的相同集合。将此特性考虑在内，按照时间值和其他独立变量来改写内积(方程53)的定义：

$a\·b=\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}a[v,q]b[v,q]---\left(54\right)$

其中测量总次数J＝QV，q是时间指标，并且v是剩余值的指标(即，其他独立变量的值的有限个数的组合是通过一个一维指标v枚举)。

此外，由于在整个区间[1..N]上必须限定U_n和U_m二者，所以在[1..N]之外也必须限定这两个信号。区间[1..N]或任何其他有限区间的时间偏移不包含在同一个区间内。因此，必须针对所有整数时间点定义所有信号；假定在有限范围的某个支持区域之外，将信号值定义为零。

这些限制条件所强加的特殊特性通过考虑矩阵元A_(m+k)(n+k)而揭示出。以下的短推导显示，可以将A_(m+k)(n+k)按照A_mn加上一个在许多情况下小到可忽略的项的来改写。

$\begin{array}{c}{A}_{(m+k)(n+k)}=U_{m+k}\·U_{n+k}=\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{m+k}[v,q]U_{n+k}[v,q]=\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{U}_m[v,q-k]U_n[v,q-k]\\ =\underset{q=1-k}{\overset{Q-k}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{U}_m[v,q]U_n[v,q]\\ =\underset{q=1-k}{\overset{0}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{U}_m[v,q]U_n[v,q]+\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{U}_m[v,q]U_n[v,q]-\underset{q=Q-k+1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{U}_m[v,q]U_n[v,q]\\ =A_{\mathrm{mn}}+\left(\underset{q=1-k}{\overset{0}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{U}_m\right[v,q\left]U_n\right[v,q]-\underset{q=Q-k+1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{U}_m[v,q\left]U_n\right[v,q\left]\right)\end{array}---\left(55\right)$

在以上方程55中，第一个等号右边的表达式来自对矩阵元的定义(方程52)；下一个表达式来自新的内积定义，其中将时间与其他独立变量区分开(方程54)；下一个表达式是通过将时间偏移方程(方程53)应用至每个因子而得到的，从而将它们分别按照U_m和U_n来写。在方程55的第二行的表达式涉及用q+k代替综合指标q。在方程55的第三行的表达式是将综合在时间指标上碎裂成三部分的结果：q的值小于1，q的值为从1到Q，并且然后扣除从Q-k+1到Q的额外的项。这三个和中的第二个是A_mn，并且这个量被重新标记，并且在最终表达式中被抽出在前部。

为了使任意k值的元A_(m+k)(n+k)与A_mn相等，认为在方程55的最后一个表达式中在括号中出现的项是一个误差项。该误差项包含被称为“左”和“右”的两个项。当信号U_m+k或U_n+k在到达时间窗口的左边缘(在此已经收集了数据)之前降低至零时，“左”项为零；同样地，当两个信号之一在到达数据窗口的右边缘之前降低至零时，“右”项为零。

可以通过指定这2N-1个相异的值、将前N个值以倒序(即，从下到上)放在矩阵的第一列中并且然后从左到右填充该第一行的剩余N-1个元来构建矩阵A。该矩阵的剩余部分是如下填充的：填充平行于主对角线的2N-1个带中的每个，这是通过从该矩阵的左边缘或上边缘向下地将值复制到右侧，直到分别到达下边缘或左边缘。

2)存在的信号数及其位置的估计

最后，考虑如何使用从对该系统求解而得到的初始估计值。不期望的是，这些数据事实上是N个均匀间隔开的信号的实现。而是期望这些数据是相对少数量的、位于任意时间值处的信号(例如k＜＜N)的实现。在本文中，期望N个强度中的大部分结果都是零。不为零的估计值可以指示信号的存在、但也可能是由于数据中的噪声、存在的信号的位置误差、信号模型的误差、以及截断效应所导致的。

对强度值应用一个阈值，仅保留k个信号，这些信号对应于超出阈值的相异离子种类并且将剩下的强度设定为零。该阈值模型将数据近似为k个信号的叠合。作为本发明的应用目的的有益结构，该系统的解产生了一组强度值，这些强度值导致辨别出了存在的信号数目(k)以及这k个信号的近似位置。

对数据处理的一般讨论

本发明因此被设计来将所观察到的信号表示为一个时间偏移的参考信号或多个构建的时间偏移的信号的线性组合。在此情况下，观察到的“信号”是离开四极杆的离子的所采集的图像的时间序列。这个或这些时间偏移的参考信号是对从具有不同m/z值的离子所观察到的信号的一个或多个贡献。该线性组合中的系数对应于质谱。

一个和/或多个参考信号：为了构建用于本发明的质谱，有益的是对每个m/z值指定信号，即具有该m/z值的单一离子种类可以产生的离子图像的时间序列。在此的方法是通过观察测试样品(质量508)(离线作为一个校正步骤)测量单一参考信号。

在给定时刻，观察到的离开云图像取决于三个参数：离子在进入四极杆时的a和q还以及RF相位。离开离子还取决于离子速度的分布以及径向移位，其中假定这种分布除了强度缩放之外是随时间不变的。

尽管可以根据多个测量的参考信号构建一个家族的参考信号，但具有一些难度，本申请的一种优选方法是基于RF周期的整数倍数使用单一时间偏移的参考信号。如果利用一个家族的时间偏移的参考信号(如从多个测量的参考信号构建的)，则是为了补偿四极场中的非理想性，如以上所讨论，或补偿以不依赖于质量的初始条件递送离子至一个配置的四极杆的入口场的无能性。在任一情况下，单一时间偏移的信号或多个家族的时间偏移的信号实现用于不同离子种类的预期的信号的近似。还应注意对应于一个RF周期的m/z间距是通过本申请的指数式扫描速率来确定的。

为了了解为什么时间偏移的近似化可以起作用并且研究其限制，考虑了分别集中在t₁和t₂并且分别具有宽度d₁和d₂的两个脉冲的情况，其中t₂＝kt₁，d₂＝kt₂，并且t₁＞＞d₁。进一步，假定k近似为1。可以通过将时间轴膨胀k倍完全由第一脉冲产生第二脉冲。然后，对第一脉冲施加一个时间偏移t₂-t₁将产生一个集中在t₂、具有宽度d₁的脉冲，当k近似为一时，该宽度近似等于d₂。对于低到中的稳定性极限(例如，10Da或更小)，这些离子信号就像以上脉冲信号一样是窄的且从时刻零开始集中了许多峰宽。

由于通过固定的RF周期调制了离子图像，所建构的和/或测量的一个或多个参考信号不能与来自任意m/z值的信号通过时间偏移来相关联；相反，它仅能与信号通过是RF周期的整数倍的时间偏移而相关联。即，RF相位仅在RF周期的整数倍处是对齐的。

矩阵方程：经由本发明来构建质谱在概念上与在傅里叶变换质谱法(FTMS)中相同。在如在此所利用的FTMS中，质谱的样本值是对以下一个线性矩阵方程求解的一个向量的分量：Ax＝b，如以上所详细论述。矩阵A是由多对参考信号之间的重叠加和的集合形成的。向量b是由每个参考信号与所观察的信号之间的重叠加和的集合形成的。向量x包含(估算的)相对丰度的集合。

矩阵方程的解：在FTMS中，矩阵A是恒等矩阵，使x＝b，其中b是信号的傅里叶变换。该傅里叶变换仅是与具有变化频率的正弦波的重叠加和的集合。

计算复杂性：用N表示采集过程中的时间样本或RF周期的数目。总体上，Ax＝b的解具有O(N³)复杂性，A的计算是O(N³)并且b的计算是O(N²)。因此，一般去卷积问题的x的计算是O(N³)。在FTMS中，A是常数，使用快速傅里叶变换时b的计算是O(NlogN)。由于Ax＝b具有平凡解，则计算是O(NlogN)。在本发明中，A的计算是O(N²)，因为仅需要计算2N-1个独特值，B的计算是O(N²)，并且Ax＝b的解是O(N²)。因此，x(质谱)的计算是O(N²)。

从O(N³)到O(N²)的复杂性减小对于构建实时质谱是有益的。这些计算是高度可并行的并且可以在嵌入式GPU上执行。

进一步的性能分析讨论

评估质谱仪的性能的关键度量是灵敏度、质量分辨能力(MRP)和扫描速率。如前所述，灵敏度是指可以在干扰种类附近检测到的离子种类的最低丰度。MRP被定义为M/ΔM比，其中M是所分析的m/z值，并且ΔM通常被定义为峰的以m/z单位计的、在半峰全宽(即FWHM)处测量的全宽。针对ΔM的替代定义是以m/z计的、两个离子可以被鉴别为相异的最小分离度。这种替代定义对于最终使用者是最有用的，但经常难以确定。

在本发明中，使用者可以控制扫描速率和指数式施加的DC/RF幅值之比。通过改变这两个参数，使用者可以权衡扫描速率、灵敏度和MRP，如以下说明的。本发明的性能在入口射束被聚焦时也被增强，从而提供更大差别。

扫描速率：扫描速率典型地是按照每单位时间的质量来表示的，但这仅是大致正确的。当U和V指数式渐变时，增大的m/z值扫过位于操作线上的点(q*，a*)，如以上在图1中所示。当U和V在时间上线性渐变时，在点(q*，a*)处观察到的m/z值在时间上线性变化，并且因此将恒定的变化速率称为扫描速率，单位是Da/s。然而，扫描线上的每一个点具有不同的扫描速率。当质量稳定性极限相对窄时，m/z值以粗略相等的速率扫过了工作线上的所有稳定点。

灵敏度：基本上，四极质谱仪的灵敏度是由到达检测器的离子数目控制的。当对四极杆进行扫描时，到达检测器的给定种类的离子数目是由该离子种类的源亮度、平均传输效率、以及传输持续时间的积来确定的。如以上讨论的，可以通过增大稳定性极限使其远离稳定性图的尖端来改善灵敏度。由于离子将更多时间花费在远离边缘(此处的传输效率差)的稳定性区域内部，平均传输效率因此增大。由于质量稳定性极限更宽，每个离子花费更长时间来扫过该稳定性区域，从而增大了离子穿过而到达检测器进行收集的持续时间。

工作周期：当要求全谱时，在任何时刻，仅有在该源中产生的一个分数的离子到达了检测器；剩余的撞击在这些杆上。对于给定的m/z值而言，传输的离子的分数被称为工作周期。工作周期是对质谱仪捕获有限源亮度的效率的衡量。当改善工作周期时，可以用更短的时间即更高的扫描速率实现相同水平的灵敏度，由此改善了样本处理量。在一种常规系统以及本发明中，工作周期是质量稳定性范围与样本中存在的总质量范围之比。

通过一个非限制实例来展示一种通过使用在此的方法而改进的工作周期，本发明的使用者可以代替1Da(代表一种常规系统)而选择10Da(如在此提供的)的稳定性极限(即，稳定性传输窗口)以便将工作周期改善10倍。也出于展示目的配置了10⁹/s的源亮度，它具有从0至1000粗略均匀的质量分布，这样使得一个10Da的窗口代表离子的1％。因此，该工作周期从0.1％改进到1％。如果该平均离子传输效率从25％改进至接近100％，则在全扫描上平均的离子强度增大了40倍，从10⁹/s*10^-3*0.25＝2.5*10⁵到10⁹/s*10^-2*1＝10⁷/s。

因此，假设本发明的使用者希望以全扫描的模式来记录一种分析物的10个离子，其中该分析物在样本中具有1ppm的丰度并且该分析物使用例如色谱法(例如，以50分钟的梯度，30秒的宽洗脱轮廓)被浓缩了100倍。使用以上数值在常规系统中分析物离子的强度是2.5*10⁵*10^-6*10²＝250/s。因此，在这个实例中所要求的采集时间是约40ms。在本发明中，当使用示例性10Da的传输窗口时，离子强度是约40倍更大，因此在在此所述的系统中所要求的采集时间是在约1ms的显著扫描速率下。

因此，应了解的是，与常规的系统相反的，本发明的有益的灵敏度增益是来自将运行线朝下推离该稳定性区域的尖端(例如，300AMU宽或更大)，如以上全篇讨论的，并且因此将稳定性极限加宽。在实践中，该操作线可以被配置成下降至尽可能远，其程度是使得使用者仍能分辨一个RF周期的时间偏移。在此情况下，质量分辨能力无损失；实现了量子极限。沿着那些线，本发明的方法和仪器不仅提供高灵敏度(即比常规四极过滤器大10至300倍的增大的灵敏度)，而且同时还提供从100ppm(1万的质量分辨能力)低至约10ppm(10万的质量分辨能力)的质量Δ微分、并且提供1ppm(即，1百万的质量分辨能力)的非并行质量Δ微分，如果在此披露的装置是在包括所有电子器件的最小偏移的理想条件下运行的话。

如以上说明的，本发明可以分辨沿着运行线至最近的RF周期的时间偏移。这个RF周期极限在扫描速度与MRP之间建立了折中，但没有对MRP和质量精确度附加绝对极限。扫描速率可以降低成使得沿着运行线的一个RF周期的时间偏移对应于任意小的质量差。

例如，假设RF频率是约1MHz。那么，一个RF周期是1us。对于10kDa/s的扫描速率，10mDa的m/z范围扫过了操作线上的一个点。在m/z1000下分辨10mDa的质量差的能力对应于100k的MRP。对于1000Da的质量范围，以10kDa/s进行扫描在100ms内产生质谱，这对应于10Hz的重复速率，将中间扫描的额外操作排除在外。类似地，本发明可以对x倍扫描速率和x倍的MRP进行折中。因此，本发明可以被配置成以10Hz的重复速率以100k MRP进行运行，以1Hz重复速率以1M MRP进行“慢”扫描、或以100Hz的重复速率以10k MRP进行“快”扫描。在实践中，可实现的扫描速度范围可能受其他考虑因素如灵敏度或电子稳定性的限制。

示例性的运行模式

作为一个实施例，本发明能以MS¹“全扫描”模式运行，其中获取了整个质谱，例如1000Da或更多的质量范围。在这种构型中，扫描速率可以被降低以便增强灵敏度和质量分辨能力(MRP)，或被增加以便改进处理量。由于本发明以相对高的扫描速率提供了高的MRP，因此有可能的是扫描速率受到收集足够的离子所需时间的限制，尽管本发明在工作期上提供了超过常规的方法和仪器的改进。

作为另一个实施例，本发明还能以“选定离子模式”(SIM)运行，其中以一个或多个选定离子为目标进行分析。常规地，如前所述的SIM模式是通过停置该四极杆(即保持U和V是固定的)而执行。相比之下，本发明在窄的质量范围上快速扫描U和V并且使用足够宽的稳定性极限，这样使得传输率为约100％。在选定离子模式下，灵敏度要求通常决定了扫描长度。在这种情况下，可以选择在小m/z范围上非常慢的扫描速率来将MRP最大化。可替代地，这些离子可以在更大的m/z范围上被扫描，即，从一个稳定性边界到另一个，以便提供对选定离子的位置的稳健估算。

还如前所述，可以执行MS¹混合运行模式，其中在整个离子质谱上进行用于检测的调查扫描，然后进行针对所感兴趣的特征的多个目标扫描。可以使用目标扫描来搜索干扰种类和/或改善对选定种类的定量。目标扫描的另一个可能用途是元素组成确定。例如，本发明的四极杆可以靶向“A1”区(高于单一同位素离子种类大致一道尔顿)以便表征同位素分布。例如，通过在m/z1000下160k的MRP，有可能分辨间隔了6.3mDa的C-13和N-15峰。这些离子的丰度提供了对种类中碳和氮数目的估算。类似地，可以探查A2同位素种类，集中于C-13₂、S-34和O-18种类。

在一种三节四极杆构型中，本发明中所使用的检测器(如以上说明的)可以布置在Q3的出口处。另两个四极杆Q1和Q2以常规方式运行，即，分别作为前体质量过滤器和碰撞室。为了收集MS¹谱，Q1和Q2允许离子穿过而无质量过滤或碰撞。为了收集并分析产物离子，Q1可以配置成选择窄范围的前体离子(即，1Da宽的质量范围)，而Q2被配置成碎裂这些离子，并且Q3配置成分析产物离子。

Q3也能以全扫描模式用来以100Hz与m/z1000时10k MRP来收集(全)MS/MS谱，假定源亮度对于实现1ms采集的可接受的灵敏度是足够的。可替代地，Q3能以SIM模式用来分析一种或多种选定的产物离子，即，单反应监测(SRM)或多反应监测(MRM)。通过将四极杆集中在选定离子上而不是覆盖整个质量范围，可以改善灵敏度。

非限制性结果

图3A示出了绘制为质量的函数的、在RF幅值的指数式扫描中从质量50到质量1500的1秒扫描中所捕获的数据的值。图3A因此示出了在指数式扫描中仍然保持质量与所施加的RF幅值之间的线性依赖性。图3B有益地示出了RF幅值的指数式时间依赖性(圆形标记指示50ms的间隔(1000DSP渐变步长))，其中质量样品之间的间距在时间上指数式增大。

应当理解在此描述的关于不同实施例的特征在不脱离本发明的精神及范围下，可用任意组合相混合及匹配。尽管选中的不同的实施例已被展示并详细描述，应理解它们是示例性的，并且在不脱离本发明的精神及范围下，多种子取代及改变是可能。

Claims (23)

1.一种质谱仪，包括：

一个四极杆，该四极杆被配置成使得一个指数式渐变的振荡(RF)电压和一个指数式渐变的直流(DC)电压可以被施加至该装置的一组电极，所述(RF)和(DC)电压是相对于时间以指数式来进行施加，并且在该渐变进程中，被维持在相对彼此恒定的比例，因此使得所述四极杆向它的远端选择性地传输在由所述施加的电压的幅值决定的一个质荷比值(m/z)范围内的一个丰度的离子；

一个检测器，该检测器被配置在所述四极杆的该远端的邻近处，以便在所述施加的指数式渐变的振荡(RF)和直流(DC)电压的进程中采集一系列的所述丰度的离子；以及

一个处理器，该处理器被联接到所述检测器上并且被配置来使所述采集的系列的所述丰度的离子作为所施加的指数式(RF)和/或(DC)场的函数经受去卷积，以便提供一个质谱。

2.如权利要求1所述的质谱仪，其中所述施加的指数式渐变的振荡(RF)电压和所述施加的指数式渐变的直流(DC)电压在该渐变进程中不被维持在处于相对彼此恒定的比例。

3.如权利要求1所述的质谱仪，其中所述检测器包括一个单一检测器。

4.如权利要求1所述的质谱仪，其中所述检测器包括一个二维阵列。

5.如权利要求1所述的质谱仪，其中所述处理器被配置成基于如由所述检测器提供的在时间上分辨的信息和/或在时间和空间上分辨的离子信息，使所述采集的系列的所述丰度的离子经受去卷积。

6.如权利要求1所述的质谱仪，其中所述处理器被配置成用一个单一参考信号对该系列的离子图像中的数据进行去卷积，所述参考信号代表在该多极杆的一个具体运行状态下的一个测量到的单一离子种类。

7.如权利要求1所述的质谱仪，其中所述处理器被配置成用一组多个参考信号对该系列的离子图像中的数据进行去卷积，所述多个参考信号各自代表在该多极杆的一个具体运行状态下一个单一离子种类的一种测量到的或一种预期的空间分布。

8.如权利要求1所述的质谱仪，进一步包括一个碰撞室，该碰撞室在一个离子路径中相对于所述四极杆的一个入口端定位在上游。

9.如权利要求1所述的质谱仪，其中该振荡电压和该DC电压的这些幅值被选择成设定这些所传输的离子的在1与300AMU之间的一个m/z范围。

10.如权利要求1所述的质谱仪，其中所述四极杆被配置为一个离子阱。

11.一种质谱仪方法，包括：

通过一个四极杆来测量一个参考信号，该参考信号代表一个单一离子种类的一个测量到的或预期的在时间上的分布和/或在时间和空间上的分布，与此同时将随时间而变化的RF和DC电压施加至所述四极杆；

对所述四极杆施加一个指数式渐变的振荡(RF)电压和一个指数式渐变的直流(DC)电压，其中在该渐变进程中所述RF和DC电压被维持在相对彼此恒定的比例，以便向所述四极杆的远端选择性地传输有待在由所述施加的(RF)和(DC)电压的幅值决定的一个质荷比值(m/z)范围内测量的一个丰度的离子；

从所述四极杆的该远端采集该丰度的离子的在时间上的或在时间与空间两者上的测量值；

通过将所述参考信号从所采集的离子测量值去卷积来重新构建一个质谱，因此提供规则的时间间隔下的离子丰度的估算值；

将其中提供估算值的时间点变换成质荷比，从而形成一个(抽样的)质谱；并且

并且重新构建具有相异的m/z值和由所去卷积的质谱估算的强度一个列表。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述RF和DC电压的施加步骤包括：在该渐变进程中施加所述RF和DC电压，但以相对彼此非恒定的比例。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述计算步骤进一步包括：从所述参考信号产生一个偏移的自相关向量。

14.如权利要求11所述的方法，其中所述计算步骤进一步包括：使用所述参考信号构造所述原始数据的一个矩阵形式。

15.如权利要求11所述的方法，其中使用傅里叶变换质谱法(FTMS)分析所述矩阵形式。

16.如权利要求11所述的质谱仪方法，进一步包括：通过打开由马修(a，q)值限定的稳定性边界而提供增大了从约10倍至最高达约200倍的一个灵敏度。

17.如权利要求11所述的质谱仪方法，其中施加该振荡电压和该DC电压的所述幅值的步骤进一步包括：选择所述电压以设定这些传输的离子的在1与300AMU之间的一个m/z范围。

18.如权利要求11所述的质谱仪方法，其中施加该振荡电压和该DC电压的所述幅值的步骤进一步包括：选择所述电压以设定这些传输的离子的大于300AMU的一个m/z范围。

19.如权利要求11所述的质谱仪方法，其中所述重新构建步骤进一步包括：在时域中数学去卷积，其中通过求幂将时间轴上的所得值变换成所述相异的m/z值。

20.如权利要求19所述的质谱仪方法，其中所述数学去卷积包括快速傅里叶变换。

21.如权利要求11所述的质谱仪方法，其中所述方法进一步包括：校正一个联接的仪器，该仪器控制所述渐变的振荡(RF)电压和所述指数式施加的直流(DC)电压，以使得一条希望的扫描线穿过一个稳定性区域的原点。

22.如权利要求11所述的质谱仪方法，其中测量一个参考信号的该步骤进一步包括：将针对一个已知的m/z值的所述参考信号转换成针对一个m/z值范围的一个家族的参考信号，以便补偿该四极场中的非理想性。

23.如权利要求11所述的质谱仪方法，进一步包括：提供100ppm低至约10ppm的质量Δ微分。

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